用于嵌入式設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)別的電源管理解決方案

隨著網(wǎng)絡(luò)連接擴(kuò)展到越來(lái)越多的設(shè)備，為這些高速模式獲取高速數(shù)據(jù)和電源的能力至關(guān)重要。動(dòng)態(tài)功率的控制，特別是對(duì)于新的低壓操作模式，要求設(shè)備具有對(duì)其總電源的交互式控制。這包括充電器和DC-DC轉(zhuǎn)換器的多個(gè)功率水平，適用于網(wǎng)絡(luò)接口正在使用或閑置的情況。

將IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)納入設(shè)計(jì)不僅對(duì)數(shù)據(jù)前端產(chǎn)生影響，而且還通過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，以便處理峰值功率管理。本文將研究可用于將現(xiàn)有設(shè)計(jì)改造為這些新標(biāo)準(zhǔn)的控制器IC和外圍設(shè)備。這些電源解決方案同時(shí)存在于嵌入式設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)別。

電源管理需求

與大多數(shù)計(jì)算設(shè)備不同，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品屬于基礎(chǔ)設(shè)施類別。這意味著產(chǎn)品和功能不僅需要全天候訪問(wèn)，還需要在所有位置訪問(wèn)。當(dāng)資源的利用率也是24/7時(shí)，這種對(duì)24/7可用性的需求就開(kāi)始了。隨著計(jì)算速度的提高和數(shù)據(jù)速率同樣上升，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不再能夠看到連續(xù)的流量。這種基于分組流量的流影響了用于網(wǎng)絡(luò)連接的PHY的峰值功率利用率以及系統(tǒng)的基線功率響應(yīng)。

這些問(wèn)題正在通過(guò)修訂的規(guī)范來(lái)解決，例如IEEE 802.3az（也稱為節(jié)能以太網(wǎng)或EEE），它們指定了掉電模式以及熱插拔和冗余電源，所有這些都有助于實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行和用于處理現(xiàn)在屬于網(wǎng)絡(luò)接口的多個(gè)電壓的板載電源管理。

全球視野 - 隨著網(wǎng)絡(luò)世界從專屬企業(yè)計(jì)算遷移到分布式，基于云的計(jì)算，設(shè)備也必須適應(yīng)。區(qū)域設(shè)備模型已經(jīng)讓位于單個(gè)SKU的多個(gè)位置設(shè)計(jì)。這提出了一個(gè)挑戰(zhàn)，即電壓標(biāo)準(zhǔn)因國(guó)家而異。電壓范圍不僅在150到240伏特，50赫茲到60赫茲，而且物理互連格式（墻上插頭）也不同。圖1顯示了現(xiàn)在支持大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施類型設(shè)備所需的一些國(guó)際電源插頭。

圖1：CUI World插頭連接器（禮貌CUI Inc） ）。

系統(tǒng)電源

解決日益增長(zhǎng)的多樣性的一個(gè)解決方案是使用定制電源。雖然這些產(chǎn)品具有多種外形和多種效率，但它們存在設(shè)計(jì)和認(rèn)證問(wèn)題，無(wú)法在各種產(chǎn)品中使用。另一種方法是在所有產(chǎn)品中使用標(biāo)準(zhǔn)電源。然而，這可能導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可用的電壓和電流的限制，因?yàn)樘卣鞅惶砑拥较到y(tǒng)中。

提供了一種新的替代方案：在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱中使用模塊化組件的定制電源。 Excelsys Technologies，Ltd。擁有1U機(jī)箱電源機(jī)箱，支持高效率（高達(dá)90％）Xgen系列可配置電源，使用功率模塊，輸出電壓范圍為1.5至28伏，輸出電流為3至50安培。這種靈活性不僅允許通過(guò)使用多個(gè)模塊為設(shè)計(jì)創(chuàng)建冗余功率控制，還提供計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)接口內(nèi)核，I/O和存儲(chǔ)器功能的功率優(yōu)化。圖2顯示了帶有多個(gè)插件的細(xì)長(zhǎng)配置的Excelsys Xlite電源。標(biāo)準(zhǔn)模塊的使用允許創(chuàng)建具有所有認(rèn)證的定制解決方案。

圖2：Excelsys的Xlite可配置電源（Courtesy Excelsys）。

板載電源

EEE規(guī)范的一個(gè)關(guān)鍵方面是網(wǎng)絡(luò)PHY根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量斷電和重啟的能力以及與線路另一端的握手。在90nm節(jié)點(diǎn)以下的半導(dǎo)體工藝中發(fā)現(xiàn)了這樣做的技術(shù)。在這些技術(shù)中，標(biāo)準(zhǔn)工作電源水平不僅僅是一個(gè)五伏特;這些系統(tǒng)具有1.3伏特至5伏特的混合電壓控制，主要停止在1.5伏特，1.8伏特，2.7伏特和3.3伏特。

網(wǎng)絡(luò)的主要連接點(diǎn)是PHY或物理層塊。這可以驅(qū)動(dòng)無(wú)線應(yīng)用的天線系統(tǒng)，也可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)應(yīng)用的有線和光纖連接器。這些PHY模塊有多種形式：集成到網(wǎng)絡(luò)控制器中;獨(dú)立作為單端口收發(fā)器;以及作為多端口收發(fā)器。這些部分涉及多種連接協(xié)議，通常是雙10/100BT PHY或許多網(wǎng)絡(luò)PHY收發(fā)器中的三重10/100/1000BT PHY。

10/100BT PHY，例如德州儀器的TLK110，具有與以太網(wǎng)MAC模塊和外部連接器/變壓器/磁性元件的簡(jiǎn)單接口，如圖3所示。這些單元支持新的3.3伏接口，并且可以運(yùn)行連接到固定電壓模擬和數(shù)字電源穩(wěn)壓器時(shí)效果最佳。該器件具有內(nèi)部1.5伏電源調(diào)節(jié)器。該內(nèi)部穩(wěn)壓器支持芯片的低功耗模式和高速邏輯。 I/O具有3.3伏系統(tǒng)和3.3伏模擬電源，以及接地對(duì)。這不僅可以隔離來(lái)自兩條不同路徑的噪聲，還可以最大限度地減少這些路徑的功率調(diào)節(jié)器負(fù)載。

圖3：德州儀器（TI）的TLK110以太網(wǎng)PHY（德州儀器公司提供）。

當(dāng)設(shè)計(jì)使用單個(gè)收發(fā)器時(shí)，電源管理非常簡(jiǎn)單。通過(guò)多個(gè)連接（每個(gè)塊4，8或最多48個(gè)），峰值功率管理和斷電循環(huán)的問(wèn)題更加復(fù)雜。這些系統(tǒng)需要使用內(nèi)部穩(wěn)壓器來(lái)幫助支持連接設(shè)備行的外部電源管理，同時(shí)邏輯保持內(nèi)部管理。

Vitesse半導(dǎo)體公司的VSC8221 10/100/1000BT PHY（見(jiàn)圖4）等高速單端口PHY收發(fā)器還將線路接口和SerDes集成到器件中。這是由集成的1.2 GB SERDES和用于CAT5電纜的150 M雙絞線接口支持的。這些模塊都具有動(dòng)態(tài)功率控制，并且可以以密集形式堆疊，因?yàn)樗鼈兊墓β史峙涞陀诿科?瓦（700 mW）。作為電路板設(shè)計(jì)和應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，該器件不需要用于CAT5連接的變壓器（可以用電容器完成），也不需要通過(guò)變壓器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。固定和可調(diào)功率調(diào)節(jié)器（不是PWM，但DC）都可以與具有最小散熱器的設(shè)備一起使用。

圖4：Vitesse Semiconductor的10/100/1000 PHY框圖（Courtesy Vitesse Semiconductor Corporation）。

電源調(diào)節(jié)器

由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在電源兼容性問(wèn)題，因此在大多數(shù)情況下，您無(wú)法使用具有較低電壓輸出的新主電源。在這些情況下，您可以使用5伏和12伏電源。為了支持新設(shè)計(jì)，有兩種類型的調(diào)節(jié)器選項(xiàng)：固定和可調(diào)節(jié)?？梢栽?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/digi-key/" target="_blank">Digi-Key的網(wǎng)站上找到各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)的完整清單。

Diodes Incorporated的AP7333，300 mA輸出低壓差線性穩(wěn)壓器等產(chǎn)品是簡(jiǎn)單的三引腳器件，具有3.3 V的固定輸出電壓，熱關(guān)斷控制，短路保護(hù)以及對(duì)器件變化的快速瞬態(tài)響應(yīng)加載。這些負(fù)載包括EEE PHY和MAC對(duì)的啟動(dòng)和喚醒電路。該器件具有單個(gè)接地點(diǎn)，輸入電源引腳 - 在這種情況下為2至6伏 - 以及輸出電壓。典型固定電壓調(diào)節(jié)器（Diodes的AP7333）的內(nèi)部框圖示意圖如圖5所示。

圖5：二極管的AP7333固定電壓調(diào)節(jié)器（Courtesy Diodes Incorporated）。

這些具有固定輸出電壓的穩(wěn)壓器用于新設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)具有優(yōu)化的元件并需要與五伏電源連接。 PHY的新接口電壓為3.3伏，網(wǎng)絡(luò)塊的MAC為1.8伏或1.5伏和3.3伏的混合電壓。選擇穩(wěn)壓器的關(guān)鍵參數(shù)是允許的輟學(xué)電壓量和可提供的電流量。

這些固定調(diào)節(jié)器，如可調(diào)節(jié)型，有多種封裝，基于設(shè)備可以處理的總功率。它們的范圍從小型表面貼裝器件到更大的通孔器件，這些器件直接在器件上安裝散熱器。

可調(diào)穩(wěn)壓器允許電路板和系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置輸出電平和相應(yīng)的輸出電流。如果設(shè)計(jì)將利用各種部件來(lái)實(shí)現(xiàn)類似功能，則這些設(shè)備非常有用。例如，如果您使用基于特定技術(shù)和供應(yīng)商的10/100BT PHY構(gòu)建系統(tǒng)，則可能需要3.0伏，3.3伏，2.5伏或這些電壓的組合來(lái)運(yùn)行該部件。使用可調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，您只需更改設(shè)定值的電阻值，并使輸出處于新的水平。

此功能在某些應(yīng)用程序中尤為重要。背板和ATCA，CAT5/CAT6和光驅(qū)動(dòng)器都需要不同的電壓和電流用于I/O接口。 PHY通常支持所有這三種輸出變體。

另一個(gè)可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器有用的地方是高壓供電軌。根據(jù)所用系統(tǒng)的類型，18至24伏的電源可調(diào)節(jié)至12伏或7.5伏。較高電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用通常具有比較低電壓電平調(diào)節(jié)器更高的電流要求。結(jié)果，提供用于為低于五伏的穩(wěn)壓器供電的中間調(diào)節(jié)是通過(guò)特定應(yīng)用定制收發(fā)器配置的電壓和電流水平來(lái)完成的。

改造設(shè)計(jì)

對(duì)于作為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器非常有用。設(shè)計(jì)的典型改造包括采用現(xiàn)有的10/100BT網(wǎng)絡(luò)控制器并將其更新為10/100/1000BT以太網(wǎng)。對(duì)于已經(jīng)是10/100/1000BT以太網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，電路板經(jīng)過(guò)修改以使用EEE PHY模塊，以便利用低能耗平臺(tái)。

基于PHY模塊的功能，Vitesse VSC8601等設(shè)備可為系統(tǒng)提供多種電壓。 PHY本身使用3.3伏單電源。但是，MAC和信號(hào)連接需要5伏，2.5伏和1.8伏，具體取決于系統(tǒng)類型。這些改造應(yīng)用不僅包括電纜連接（CAT5或CAT6），還包括背板和ATCA功能。

這些功能要求網(wǎng)絡(luò)組件自動(dòng)檢測(cè)并支持網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)聯(lián)供電設(shè)備。內(nèi)聯(lián)電源檢測(cè)功能允許系統(tǒng)功能（如IP電話，無(wú)線接入點(diǎn)或其他設(shè)備）直接從以太網(wǎng)電纜接收電源。此功能類似于通過(guò)電話線從PBX辦公室交換機(jī)接收電源的標(biāo)準(zhǔn)辦公室數(shù)字電話。它允許終端設(shè)備消除對(duì)外部電源的需求，但它確實(shí)將當(dāng)前的負(fù)載負(fù)擔(dān)放在PHY上。對(duì)于長(zhǎng)線（接近150米的限制），這可能會(huì)對(duì)PHY本身的電源管理造成壓力。

由于網(wǎng)絡(luò)組件通常連接到不間斷電源（UPS），電池，備用電源系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)，因此在線供電設(shè)備可以在斷電期間保持活動(dòng)狀態(tài)，以便它們可以在發(fā)生故障時(shí)保持活動(dòng)狀態(tài)。停運(yùn)。電纜負(fù)載和內(nèi)聯(lián)供電設(shè)備的峰值功率必須等于或小于電壓調(diào)節(jié)器提供的功率因數(shù)。